半導(dǎo)體激光器電源設(shè)計技術(shù)匯總

通常，摻釹固體晶體是對其相對較寬的808nm吸收帶進(jìn)行泵浦，標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)能很容易地滿足808nm泵浦的光譜要。但是在過去幾年里，隨著半導(dǎo)體激光器bar條的工作電流和功率的不斷提高，導(dǎo)致在從閾值電流上升到工作電流的過程中產(chǎn)生了更大的波長漂移。為了確保在整個工作范圍內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定、有效的泵浦，需要控制泵浦半導(dǎo)體激光器的光譜，使其光譜帶寬始終與激活激光介質(zhì)的吸收帶寬相匹配。

另一方面，光纖激光器的迅速發(fā)展，也增加了對其他波長的泵浦源的需求。例如，泵浦波長為1080nm左右的標(biāo)準(zhǔn)摻鐿光纖激光器，就需要915nm、940nm和980nm的光纖耦合半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)，特別是980nm泵浦區(qū)尤為重要，因為摻鐿材料在該泵浦區(qū)具有較高的吸收系數(shù)和較窄的吸收帶寬。

半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)亮度的進(jìn)一步增強(qiáng)是通過偏振耦合和波長復(fù)用實現(xiàn)的。偏振耦合僅能將亮度提高一個單位系數(shù)的兩倍，而波長復(fù)用技術(shù)受可用波長數(shù)量n的限制。 事實上，波長復(fù)用進(jìn)行功率擴(kuò)展是以犧牲光譜亮度為代價。

5.實現(xiàn)智能控制的半導(dǎo)體激光器電源設(shè)計

由于具有體積小、重量輕等特點，半導(dǎo)體激光器(LD)在信息、通訊、醫(yī)療等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用，且與電子器件結(jié)合實現(xiàn)單片光電子集成。但是LD容易受到過電壓、電流或靜電荷的沖擊而損壞，其電源的研究愈來愈受到人們的重視。若電源輸出電壓或電流波形質(zhì)量不高，又缺乏有效保護(hù)，將導(dǎo)致激光器性能下降或造成損壞，因此要設(shè)計性能優(yōu)良的電源來保證LD安全穩(wěn)定地工作。

本文以數(shù)字集成電路為核心，設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)智能控制的半導(dǎo)體激光器電源。

半導(dǎo)體激光器LD工作影響因素

半導(dǎo)體激光器的核心是PN結(jié)一旦被擊穿或諧振腔面部分遭到破壞，則無法產(chǎn)生非平衡載流子和輻射復(fù)合，視其破壞程度而表現(xiàn)為激光器輸出降低或失效。

造成LD損壞的原因主要為腔面污染和浪涌擊穿。腔面污染可通過凈化工作環(huán)境來解決，而更多的損壞緣于浪涌擊穿。浪涌會產(chǎn)生半導(dǎo)體激光器PN結(jié)損傷或擊穿，其產(chǎn)生原因是多方面的，包括：①電源開關(guān)瞬間電流;②電網(wǎng)中其它用電裝備起停機(jī);③雷電;④強(qiáng)的靜電場等。實際工作環(huán)境下的高壓、靜電、浪涌沖擊等因素將造成LD的損壞或使用壽命縮短，因此必須采取措施加以防護(hù)。

傳統(tǒng)激光器電源是用純硬件電路實現(xiàn)的，采用模擬控制方式，雖然也能較好的驅(qū)動激光，但無法實現(xiàn)精確控制，在很多工業(yè)應(yīng)用中降低了精度和自動化程度，也限制了激光的應(yīng)用。使用單片機(jī)對激光電源進(jìn)行控制，能簡化激光電源的硬件結(jié)構(gòu)，有效地解決半導(dǎo)體激光器工作的準(zhǔn)確、穩(wěn)定和可靠性等問題。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，采用適合LD的芯片可使電源可靠性得到極大提高。

系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)框圖見圖1。主要由以下幾部分構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)框圖

6.半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源的控制系統(tǒng)

使用單片機(jī)對激光器驅(qū)動電源的程序化控制，不僅能夠有效地實現(xiàn)上述功能，而且可提高整機(jī)的自動化程度。同時為激光器驅(qū)動電源性能的提高和擴(kuò)展提供了有利條件。

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)電流源驅(qū)動及保護(hù)、光功率反饋控制、恒溫控制、錯誤報警及鍵盤顯示等功能，整個系統(tǒng)由單片機(jī)控制。本系統(tǒng)中選用了C8051F單片機(jī)。C8051F單片機(jī)是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SOC)，他在一個芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件，如本系統(tǒng)中用到的ADC和DAC。這些外設(shè)部件的高度集成為設(shè)計小體積、低功耗、高可靠性、高性能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)提供了方便，也大大降低了系統(tǒng)的成本。光功率及溫度采樣模擬信號經(jīng)放大后由單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進(jìn)行運(yùn)算處理，反饋控制信號經(jīng)內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換后再分別送往激光器電流源電路和溫控電路，形成光功率和溫度的閉環(huán)控制。光功率設(shè)定從鍵盤輸入，并由LED數(shù)碼管顯示激光功率和電流等數(shù)據(jù)。

目前，凡是高精密的恒流源，大多數(shù)都使用了集成運(yùn)算放大器。其基本原理是通過負(fù)反作用，使加到比較放大器兩個輸入端的電壓相等，從而保持輸出電流恒定。并且影響恒流源輸出電流穩(wěn)定性的因素可歸納為兩部分：一是構(gòu)成恒流源的內(nèi)部因素，包括：基準(zhǔn)電壓、采樣電阻、放大器增益(包括調(diào)整環(huán)節(jié))、零點漂移和噪聲電壓;二是恒流源所處的外部因素，包括：輸入電源電壓、負(fù)載電阻和環(huán)境溫度的變化。

7.基于NCP5662的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源

二極管激光器及二極管泵浦的固體激光器現(xiàn)已成為固體激光器的發(fā)展主流,其轉(zhuǎn)換效率高,穩(wěn)定性好、可靠性高,是迄今惟一不需維護(hù)的激光系統(tǒng),具有輸出的光束質(zhì)量高、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點,已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。二極管泵浦固體激光器設(shè)計中涉及許多關(guān)鍵技術(shù),電源技術(shù)是其中之一,它涉及的主要問題是如何根據(jù)固體激光器的要求設(shè)計半導(dǎo)體激光二極管的驅(qū)動電源。半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源的基本要求是:恒流源、電流穩(wěn)定度高(至少應(yīng)小于10-3)、紋波系數(shù)小、具有特殊的抗電沖擊措施和保護(hù)電路。在實際項目中,二極管泵浦固體激光器用于機(jī)載導(dǎo)彈測距,采用808nm半導(dǎo)體大功率激光器作為泵浦源,要求驅(qū)動電源體積小,驅(qū)動電流2A,驅(qū)動方式為脈沖驅(qū)動,脈沖頻率和寬度獨立可調(diào)、蓄電池供電(5V左右)。目前許多的商用的或用于試驗研究的驅(qū)動電源很難完全滿足使用要求,因此為其設(shè)計簡單、方便、穩(wěn)定、可靠的驅(qū)動電源具有重要的意義。

在穩(wěn)壓或穩(wěn)流電源中,目前常用的是開關(guān)電源和線性電源,由于開關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)較差、紋波系數(shù)較大,對瞬態(tài)特性和溫度度要求較高的半導(dǎo)體激光驅(qū)動電源采用線性電源較為合理。為了實現(xiàn)高的電流穩(wěn)定度,驅(qū)動電路大多采用負(fù)反饋的控制方法,原理圖見圖2。工作時,通過電阻電流采樣反饋為驅(qū)動電流提供有源控制。方法是在功率晶體管的源極串聯(lián)一個采樣電阻RS,用于取樣反饋，該取樣電壓經(jīng)過I/U轉(zhuǎn)后,作為反饋電壓與設(shè)定電壓進(jìn)行比較,進(jìn)而通過調(diào)整功率晶體管的電阻大小對輸出電流If進(jìn)行調(diào)整。整個閉環(huán)反饋系統(tǒng)處于動態(tài)平衡中,以達(dá)到穩(wěn)定電流的目的。輸出電流If與設(shè)定的參考電壓Vref的關(guān)系可由負(fù)反饋原理得到